Summary
Мы демонстрируем протоколы модуляции (tDCS, HD-tDCS) и картографирования (роботизированный TMS) моторной коры у детей.
Abstract
Картирование моторной коры с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) может выспросить физиологию и пластичность моторных кор кор кор, но несет в себе уникальные проблемы у детей. Аналогичным образом, транскраниальная стимуляция прямого тока (tDCS) может улучшить моторное обучение у взрослых, но только недавно была применена к детям. Использование tDCS и новых методов, таких как tDCS высокой четкости (HD-tDCS), требует специальных методологических соображений в развивающемся мозге. Роботизированное картографирование двигателей TMS может дать уникальные преимущества для картирования, особенно в развивающемся мозге. Здесь мы стремимся обеспечить практический, стандартизированный подход для двух интегрированных методов, способных одновременно изучать модуляцию моторных кор кор ы и моторные карты у детей. Во-первых, мы описываем протокол для роботизированного картирования двигателя TMS. Индивидуальные, МРТ-навигационные 12x12 сетки сосредоточены на моторной коры руководство робота для администрирования одноимпульсных TMS. Средний двигатель вызвал потенциал (MEP) амплитуды на точку сетки используются для создания 3D моторных карт отдельных мышц рук с исходами, включая карту области, объема и центра тяжести. Инструменты для измерения безопасности и переносимости обоих методов также включены. Во-вторых, мы описываем применение как tDCS, так и HD-tDCS для модулировать моторную кору и моторное обучение. Описаны экспериментальная парадигма обучения и результаты выборки. Эти методы будут способствовать применению неинвазивной стимуляции мозга у детей.
Introduction
Неинвазивная стимуляция мозга может какизмерять, так и модулировать функцию мозга человека 1,2. Наиболее распространенной целью была моторная кора, отчасти из-за немедленного и измеримой биологической продукции (мотор вызывал потенциалы), но также и высокой распространенности неврологических заболеваний, приводящих к дисфункции двигательной системы и инвалидности. Это большое глобальное бремя болезней включает в себя высокую долю условий, затрагивающих детей, таких как церебральный паралич, основной причиной пожизненной инвалидности, затрагивающих около 17 миллионов человек во всем мире3. Несмотря на эту клиническую актуальность и разнообразные и растущие возможности нейростимуляции технологий, приложения в развивающемся мозге только начинают определяться4. Улучшенная характеристика существующих и новых неинвазивных методов стимуляции мозга у детей необходима для продвижения применения в развивающемся мозге.
Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS) является устоявшимся нейрофизиологическим инструментом, все более используемым для его неинвазивного, безболезненного, хорошо переносимого и безопасного профиля у взрослых. Опыт TMS у детей относительно ограничен, но неуклонно растет. TMS обеспечивает магнитные поля, чтобы вызвать региональную активацию корковых нейронных популяций в головном мозге с чистыми выходами, отраженными в целевом мышечном двигателе, вызываемом потенциалами (MEP). Систематическое применение одного импульса TMS может определить карты моторной коры in vivo. Семинальные исследования на животных5 и новые исследования TMS человека6 показали, как моторные карты могут помочь в информировании механизмов корковой нейропластичности. Навигационный моторный отображение — это метод TMS, который используется для картирования моторной коры человека для изучения функциональных корковых областей. Изменения в моторной карте были связаны спластиковыми изменениями двигательной системы человека 7. Последние достижения в области роботизированной технологии TMS принесли новые возможности для повышения эффективности и точности картирования двигателей. Наша группа недавно продемонстрировала, что роботизированное картографирование двигателя TMS осуществимо, эффективно и хорошо переносится у детей8.
Транскраниальная стимуляция прямого тока (tDCS) является одной из форм неинвазивной стимуляции мозга, которая может смещать возбудимость коры и модулировать поведение человека. Там было множество исследований, исследующих влияние tDCS у взрослых (10000 испытуемых), но менее 2% исследований были сосредоточены на развивающихся мозга9. Перевод взрослых доказательств в педиатрии приложений является сложным, и модифицированные протоколы необходимы из-за сложных различий в детях. Например, мы и другие показали, что дети испытывают большие и сильные электрические поля по сравнению со взрослыми10,11. Стандартизация методов tDCS у детей важна для обеспечения безопасного и последовательного применения, улучшения репликации и продвижения поля. Опыт моторного обучения модуляции tDCS у детей ограничен, но увеличивается12. Переводные применения tDCS для конкретных популяций церебрального паралича продвигаются к поздней фазе клинических испытаний13. Усилия по более координационному стимулированию, применяемые с помощью tDCS высокой четкости (HD-tDCS), только что были впервые изучены у детей14. Мы продемонстрировали, что HD-tDCS производит аналогичные улучшения в моторном обучении, как обычные tDCS у здоровых детей14. Описание методов HD-tDCS позволит реплицить и дальнейшее применение таких протоколов у детей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все методы, описанные в этом протоколе, были одобрены Советом по этике исследований в области здравоохранения, Университет Калгари (REB16-2474). Протокол описан на рисунке 1.
1. Неинвазивные противопоказания стимуляции мозга
- Экран всех участников для противопоказаний для TMS15 и tDCS1 до набора.
2. Транскраниальная магнитная стимуляция моторного картирования
- Подготовка МРТ для навигационных TMS
- Получить структурную МРТ каждого участника (T1). Если МРТ недостижима, используйте шаблон МРТ из Монреальского неврологического института.
- Импорт файла МРТ в формате DICOM или NIFTI в программное обеспечение для нейронавигации (см. ТаблицуМатериалов).
- Траектории целей TMS
- Используйте программное обеспечение для нейронавигации, чтобы реконструировать кожи и полный мозг Curvilinear с помощью вкладок.
- Выберите новые, кожи, и вычислить кожи. Убедитесь, что нос и верхняя часть головы включены.
- Выберите новый, и полный мозг Curvilinear. Приложить зеленый ящик выбора вне мозга, но внутри черепа. Выберите Вычислить Curvilinear. Отрегулируйте глубину кожуры до 4,0-6,0 мм.
- Выберите Настройка Ориентиры. Поместите четыре ориентира на кончике носа, nasion, и выемки обоих ушей реконструированной кожи. Назовите достопримечательности, соответствующие их анатомии.
- Выберите вкладку «Цели» для просмотра криволинейных мозгов. Выберите новуюи прямоугольную сетку. Поместите единые сетки 12 х 12 координат с 7-мм интервалом на поверхности реконструированной черепно-мозговой части над «ручной ручкой» моторной коры (прецентральная извилина)17.
- Используйте целевой инструмент позиционирования справа, чтобы оптимизировать позиционирование сетки для вращения, наклона и кривизны. Преобразуйте точки сетки в траектории, которые будут направлять робота к расположению катушки TMS. Отрегулируйте угол траекторий таким образом, чтобы они были на 45 градусов по цельсию к продольной трещине мозга.
- Используйте инструмент SNAP для экстраполирования и оптимизации траекторий криволинейных мозгов.
- Инициализация и положение tMS робота руку и сиденье, чтобы приветствовать положение и калибровать датчик силы пластины с помощью датчика силытест.
- Подготовка участника к картированию двигателя
- Попросите участников анкету безопасности18.
- После того, как участники удобно сидят в кресле робота, отрегулируйте спинку и шею. Убедитесь, что их ноги поддерживаются. Поддерживайте свои руки и руки подушками, чтобы убедиться, что их руки находятся в положении отдыха в течение всего сеанса отображения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Детям и подросткам понадобятся напоминания на протяжении всего сеанса, чтобы держать руки расслабленными. - Очистите кожу над мышцей интереса. Место Ag / AgCl поверхностных электродов на обеих руках и предплечьях участника, ориентации четырех дистальных мышц передних конечностей, 1) живот первого спинного межзосевых (ПИИ), 2) похититель pollicis brevis (APB), 3) похититель digiti (ADM), и 4) запястье разгибатель (развертелий карпи локтя).
- Соедините поверхностные электроды с помощью усилителя электромиографии (ЭМГ) и системы сбора данных и подключите усилитель к компьютеру, собирающим данные, с совместимым программным обеспечением ЭМГ.
- Сорегистрация четырех ориентиров на голове участника с помощью ориентирового указателя. Используйте вкладку проверки, чтобы убедиться, что голова участника зарегистрирована должным образом.
- Определение интенсивности отображения двигателей TMS
- Выберите сетку-точку, наиболее близкую к «ручной ручке» участника. Выберите кнопку «Выравнивание к цели», чтобы выровнять катушки TMS, удерживаемую роботом, к этому целевому месту. Выберите Контакт на. Мониторинг качества контакта с помощью индикатора контактной силы. Убедитесь, что индикатор зеленый или желтый.
ПРИМЕЧАНИЕ: Красный цвет на индикаторе контакта означает, что на голове участника слишком много силы. Нет цвета означает, что катушка TMS не соприкасается с головой участника. В этих случаях отрегулируйте чувствительность силовой пластины. - Поручить участнику не выходить за рамки руки робота. Убедитесь, что мышцы рук участника расслаблены и остаются до контакта.
- Выберите Выровнять и следуйте, чтобы катушка оставалась сосредоточенной на цели, если участник движется.
- Используйте кнопку триггера TMS на машине TMS для доставки 5-10 импульсов TMS при интенсивности между 40-60% максимальный выход стимулятора (MSO). Повторите этот шаг до 5-6 сетки-точек, окружающих "handknob".
- Определите точку сетки, которая дает самый большой и последовательный (горячий) двигатель вызвал потенциал (MEP) для левой или правой мышцы ПИИ.
- Определите порог двигателя отдыха (RMT) как самая низкая интенсивность которая производит MEP по крайней мере 50 м/В/ в мышце ПИИ в стимуляции 5/10.
- Выберите сетку-точку, наиболее близкую к «ручной ручке» участника. Выберите кнопку «Выравнивание к цели», чтобы выровнять катушки TMS, удерживаемую роботом, к этому целевому месту. Выберите Контакт на. Мониторинг качества контакта с помощью индикатора контактной силы. Убедитесь, что индикатор зеленый или желтый.
- Моторное картирование
- Начиная с точки сетки, ближайшей к точке доступа, поставьте четыре одноимпульсных импульса TMS (1 Гц) при интерстимуле 1 с и интенсивности TMS 120% RMT. Отзывчивый сетки точки определяется 2 /4 ЕВРО-депутатов
- Перейдите к соседней точке сетки и повторите вышеуказанный шаг.
- Продолжайте последовательно в линейной манере вдоль отзывчивых точек до тех пор, пока не будет достигнута точка, не отвечающая, которая является первым пограничным регионом карты.
- Продолжить отображение для установления пограничных пунктов во всех четырех направлениях прямоугольной сетки.
- Запись всех евродепутатов из всех мышц с помощью программного обеспечения EMG для автономного анализа.
- После 3-4 точек сетки, выберите Контакт покинуть и дать участнику перерыв, пока они не почувствуют себя готовыми к продолжению.
- На протяжении всего сеанса отображения, постоянно проверить с участником, чтобы убедиться, что они удобны и / или нуждаются в перерыве.
- Используйте печатную копию одной и той же сетки, чтобы прикрепить порядок моделирования для дальнейшего анализа.
- Полное отображение с помощью роботизированного TMS, как описано здесь или вручную (не описано в этой рукописи). При использовании TMS Robot он перемещается в точку сетки, выбранную экспериментатором. Робот будет вмещать для движения головы ребенка в почти в режиме реального времени. Это позволит облегчить любое дополнительное движение, связанное с техником, вручную держащим катушки на голове участника.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если отображение с помощью робота TMS, убедитесь, что есть экспериментатор рядом с роботом в любое время во время сессии. Если робот помещается на голову участника и участник внезапно движется, робот будет пытаться следовать за его головой. Если участник должен двигаться, чихать, царапать или выполнять действия, связанные с движением головы, рука робота должны быть перемещены, чтобы предотвратить голову участника от удара руки робота или катушки TMS.
- Создание моторной карты
- Используя индивидуальный сценарий кодирования, генерируют трехмерные моторные карты(рисунок 2). Свяжитесь с авторами для получения сценария.
- Рассчитайте область и объем моторной карты с помощью отзывчивых участков траектории. Рассчитайте центр тяжести (COG) в виде средневзвешенного представления двигателя каждого расположения координат.
ПРИМЕЧАНИЕ: Область карты рассчитывается как интервал сетки (7 мм)2 умножается на общее количество отзывчивых участков. Объем карты рассчитывается как совокупная сумма интервала сетки, умноженная на среднее амплитуду MEP на каждом отзывчивом участке. В настоящее время разрабатывается удобная для пользователя версия скрипта, чтобы делиться с общественностью в качестве открытого исходного кода. Между тем, свяжитесь с соответствующим автором, чтобы получить доступ к скрипту.
3. Обычное приложение tDCS и HD-tDCS
- Рандомизация участников в одну из трех групп вмешательства (фиктивный, обычный tDCS, HD-tDCS).
- Поимеет участника завершить тест Purdue Pegboard Test (PPT) три раза, используя левую руку (не доминирующую), устанавливая свой базовый балл.
- Проверяйте качество электрода, чтобы подтвердить целостность вставок губки tDCS и резиновых электродов.
- Включите обычное устройство tDCS, перевернув выключатель питания наON.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что низкий свет батареи не освещен. Если он подсвечивается, измените батареи перед началом сеанса.- Для участников, получающих обычные или фиктивные tDCS, слегка замочите два 25 см2 губки электродов с сольнием. Убедитесь, что весь электрод покрыт, но не капает. Вставьте резиновый электрод в солены пропитанной губки электродов и подключить каждый электрод к устройству tDCS.
- Найдите отмеченную точку доступа (ПравоMMM) с помощью нейронавигации и пометьте ее нетоксичным маркером. В конце каждого tDCS, HD-tDCS или фиктивной сессии, отметьте точку доступа снова, чтобы она была видна на следующий день.
- При рандомизированном к обычным tDCS или фиктивным tDCS, поместите один 25 см2 солевой пропитанной губкой электрод над отмеченной точкой доступа участника (право M1), выступающей в качестве анода. Поместите другие 25 см2 солен-пропитанной губки электрод на контралатеральной надорбитальной области, представляющих катод. Используйте легкий пластиковый детский "головной улок" для удержания электродов на месте.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что нет солей капает из электрода, как это может шунтировать тока. - В фиктивной и обычной группе tDCS обеспечить «оптимальное» качество контакта. Если качество контакта является "субоптимальным", введите небольшое количество солевой раствор под электродами губки, или убедитесь, что есть минимальные волосы между кожей головы и электродом.
ПРИМЕЧАНИЕ: "Оптимальное" качество контакта достигается при более чем половине качества индикаторов контакта. Если включено менее половины индикатора контакта, качество контакта является неоптимальным. Не запускайте стимуляцию, если включен только один из двух индикаторных индикаторов. - В группе HD-tDCS, обратитесь к Villamar, М.Ф., и др.16 для соответствующей настройки.
- В группе HD-tDCS установите устройство в настройки сканирования, чтобы проверить препятствие на каждом электроде. Убедитесь, что impedance находится под 1 "качество единицы" и описано ранее19,20. Если качество контакта плохое, удалите электрод и убедитесь, что нет волос, препятствующих контакту электрода, и что непрерывный столб электродный гель присутствует между кожей головы и электродом. При необходимости нанесите больше электродового геля.
- При рандомизированном к обычным tDCS или фиктивным tDCS, поместите один 25 см2 солевой пропитанной губкой электрод над отмеченной точкой доступа участника (право M1), выступающей в качестве анода. Поместите другие 25 см2 солен-пропитанной губки электрод на контралатеральной надорбитальной области, представляющих катод. Используйте легкий пластиковый детский "головной улок" для удержания электродов на месте.
- Установите устройство tDCS и HD-tDCS в настройки анодного монтажа, 1 мА текущей прочности и 20 мин.
- Убедитесь, что участник сидит комфортно, и они понимают возможные ощущения, которые они могут испытывать (например, зуд или покалывание). Напомните участнику общаться, если он чувствует дискомфорт или есть вопросы.
- В обычных группах tDCS и HD-tDCS убедитесь, что переключатель настроен на Active.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для фиктивной группы, переключатель должен быть установлен на Шам. Эта настройка должна быть скрыта от участника. - Нажмите кнопку запуска устройства, чтобы начать стимуляцию. Убедитесь, что продолжительность установлена до 20 мин, а интенсивность до 1 мА.
ПРИМЕЧАНИЕ: В обычных группах tDCS и HD-tDCS, ток будет наращивать более 30 с до 1 мА и продолжаться в течение 20 минут. В группе sham tDCS, ток будет увеличен более чем на 30 с до 1 мА и сразу же увеличили более 30 с.
- В обычных группах tDCS и HD-tDCS убедитесь, что переключатель настроен на Active.
- На 5 мин, 10 мин, 15 мин, и 20 мин, есть участник завершить PPT три раза, используя левую руку.
- После 20 минут, выключите устройство после интенсивности заканчивается ramping до 0 mA.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для участников, получающих либо обычные tDCS или HD-tDCS, машина будет автоматически нарастить до 0 мА на 20 минут. Для участников, получающих фиктивные tDCS, машина будет автоматически наращивать более 30 с до 1 мА и сразу же нарастить до 0 мА более 30 с на 20 мин. - Снимите электроды с головы участника.
- Для фиктивных и обычных групп tDCS, удалить черные электроды изнутри губки и промыть губки электрод с нормальной водопроводной воды.
- В группе HD-tDCS снимите пластиковую верхнюю часть держателя электрода и удалите электроды. Снимите крышку электрода с головы участников. Промыть любой гель в держателе электрода. Очистите электрод слегка влажным бумажным полотенцем. Протрите электрод сухим бумажным полотенцем, чтобы удалить оставшийся гель.
- Пусть все участники завершат транскраниальные прямые стимулирующие побочные эффекты и вопросник переносимости после каждой сессии стимуляции.
- Поимеет участников завершить PPT три раза, используя левую руку.
- Попросите участников вернуться на следующий день и еще на четыре дня подряд (всего пять дней) для неинвазивной стимуляции мозга (обман, tDCS, или HD-tDCS) в паре с моторным обучением (PPT). Повторите шаги 3.2-3.13 на 2-4 день. На 5-й день участники начинают с неинвазивной стимуляции мозга (обман, tDCS или HD-tDCS) (шаги 3.2-3.13 повторяются). После перерыва (45 мин- - 1,5 ч с момента получения стимуляции) начните роботизированное картографическое tMS-мотор (шаги 2.3-2.5.8).
ПРИМЕЧАНИЕ: Все участники получили одинаковое количество минут на перерывы между оценками. - После 6-недельного приглашения участников вернуться и выполнить ППТ без получения неинвазивной стимуляции мозга (шаг 3.2 с последующим роботизированным картографированием двигателя TMS (шаг 2.5.8)).
- Попросите участников вернуться на следующий день и еще на четыре дня подряд (всего пять дней) для неинвазивной стимуляции мозга (обман, tDCS, или HD-tDCS) в паре с моторным обучением (PPT). Повторите шаги 3.2-3.13 на 2-4 день. На 5-й день участники начинают с неинвазивной стимуляции мозга (обман, tDCS или HD-tDCS) (шаги 3.2-3.13 повторяются). После перерыва (45 мин- - 1,5 ч с момента получения стимуляции) начните роботизированное картографическое tMS-мотор (шаги 2.3-2.5.8).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Используя методы, представленные здесь, мы завершили рандомизированное, контролируемое фиктивным интервенционным исследованием8. Праворукие дети (n No 24, возраст 12-18) без противопоказаний для обоих типов неинвазивной стимуляции мозга были набраны. Участники были специально исключены в этом исследовании, если на нейропсихотропных препаратов или если они не были наивны для tDCS. Отсева не было.
Роботизированные моторные карты TMS были получены для получения базовой моторной карты и для использования в качестве потенциального механизма для мониторинга изменений нервной и сердечной функционируемости коры после моторного обучения в паре с неинвазивной стимуляцией мозга. Используя описанные выше методы, все участники получили три роботизированные моторные карты TMS, 1) базовый уклад до неинвазивной стимуляции мозга (sham, tDCS, или HD-tDCS), 2) день 5 (Post) и 3) в 6-недельный последующей деятельности (время удержания). Все участники получили бигемисферное моторное картирование (3 участника получили право на отображение двигателя полушария только из-за нехватки времени). Моторные карты были завершены в среднем за 18 минут для односторонних автокарт и 36 мин для бигемисферного картирования. Область моторной карты, объем, точка доступа и COG были вычислены и сопоставлены на индивидуальном и групповом уровне. В нашем первоначальном анализе карты двигателя, область и объем карты двигателя существенно не изменились после вмешательства. В нашем вторичном анализе измерение субмаксимальных пропорций площади и объема карты привело к значительно меньшему дисперсии (p'lt;0.05).
Все участники получили одно из трех неинвазивных вмешательств стимуляции мозга в течение 20 мин (1 мА) в течение пяти дней подряд. Мы продемонстрировали, что tDCS и HD-tDCS улучшают скорость обучения (количество колышек/день) (tDCS p'0.042, HD-tDCS p'0.049) в течение 5 дней обучения. Активные группы вмешательства (tDCS и HD-tDCS) имели более большие улучшения в среднесуточном счете ЛЕВОЙ руки PPT (PPTL) на дне 4 и 5 сравненные к притязанию (день 4 p'0.043, день 5 p'0.05) (Рисунок3). Активные группы вмешательства сохранили свою моторику (на ППТ) на 6-недельный после тренировки. Тем не менее, в фиктивной группе произошел значительный упадок навыков от постподготовки до 6-недельного наблюдения (p'0.034). Эта методология была воспроизведена из предыдущего исследования21 и наборы данных были объединены(рисунок 4). Данные репликации продемонстрировали аналогичные результаты. Произошло значительное увеличение скорости обучения, наблюдаемого в группе tDCS и HD-tDCS по сравнению с группой фиктивных (tDCS p 0.001, HD-tDCS p 0.012).
Рисунок 1: Протокол судебного разбирательства. PTT' Purdue pegboard Test, TMS' TMS Motor mapping tDCS - транскраниальная стимуляция прямого тока, HD-tDCS - высокой четкости tDCS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Пример моторной карты TMS. Вид сверху левой карты двигателя ПИИ (A) Pre и (B) после HD-tDCS вмешательства. Красный крест указывает на точку доступа, синий крест — COG. Цветовая планка указывает диапазон MEP от 0-2 mV. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Моторное обучение наблюдается в фиктивных, tDCS и HD-tDCS групп. Эта цифра была переиздана из Коул и Giuffre и др. 2018. (A) Среднее ежедневное изменение левой руки Purdue Pegboard оценка от базовой линии в обман (белые треугольники), tDCS (серые круги), и HD-tDCS (черные круги), (n No 24). (B) Ежедневный средний балл в каждый временной момент PPTL. Зпт;0,05 для tDCS против обмана, юр-л/0;0,05 для HD-tDCS против обмана. Бары ошибок указывают на стандартную ошибку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Репликация методов - комбинированный набор данных PPTL в течение 3 дней обучения. Эта цифра была переиздана из Коул и Giuffre и др. 2018). (A) Кривые обучения для фиктивных (белые треугольники, n No 14), tDCS (серые круги, n No 14) и HD-tDCS (черные круги, n no 8) группы. (B) Среднее ежедневное обучение для обмана, tDCS, и HD-tDCS из комбинированных исследований. Бары ошибок указывают на стандартную ошибку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
TMS также был изучен в клинических педиатрических популяций, в том числе перинатального инсульта22 и ДЦП, где TMS моторные карты были успешно созданы у детей с церебральным параличом для изучения механизмов интервенционной пластичности. Используя установленныйпротокол 8, TMS моторные карты были успешно собраны в типично развивающихся детей, и в настоящее время собираются в текущих мультицентрклинических испытаний для детей с перинатальным инсультом и гемиплегическим церебральным параличом ( NCT03216837). Описание методов картирования двигателя TMS позволит реплицить и дальнейшее применение протоколов у здоровых детей и детей с нарушениями движения.
Роботизированное отображение двигателя улучшает точность размещения катушки TMS и уменьшает человеческую ошибку по сравнению с ручными методами23,24. Этот метод является более выгодным для педиатрических групп населения, которые увеличили движения головы и ниже переносимость для длительных сессий12. Хотя мотор отображение с помощью робота TMS было сообщено у взрослых, наша группа является первым применять эту технику в педиатрической популяции. Новые методологии картирования двигателей, которые используют статистическое взвешивание и интерполяции25,26 могут быть использованы для уменьшения времени приобретения в сочетании с роботизированной TMS. Таким образом, методологии должны быть дополнительно изучены в развивающемся мозге.
Мы излагаем краткий подход к применению tDCS, HD-tDCS и TMS в здоровой педиатрической популяции. Есть целый ряд критических шагов, чтобы рассмотреть в применении неинвазивной стимуляции мозга у детей. Крайне важно, чтобы дети и/или их родители подтвердили, что у участника нет противопоказаний для неинвазивной стимуляции мозга. Важно, чтобы участники чувствовали себя комфортно и безопасно. Поощряйте участников задавать вопросы на протяжении всего сеанса, так как необходимо постоянно получать обратную связь на протяжении всего сеанса, особенно в педиатрической популяции. Кроме того, важно проверить качество электродов и качество кожи головы участников, так как это исключает безопасное применение tDCS. Очень важно иметь правильный анодальный монтаж, текущую интенсивность и продолжительность стимуляции, выбранные на машине перед началом стимуляции. Существуют конкретные соображения для обычных tDCS и HD-tDCS. В HD-tDCS, очень важно повернуть электрод, выбранный для того, чтобы быть в центре анодного положения с окружающими электродами, чтобы уменьшить количество пробося электрода. Крайне важно иметь правильное подключение кабелей к анодальным и катодальным портам на машине 1x1 tDCS в обычных tDCS, чтобы обеспечить правильную полярность. Предыдущая литература продемонстрировала важность использования сосудистого раствора для улучшения переносимости стимуляции27. Наиболее распространенным ощущением, описанным в нашем исследовании, был зуд (56%)14. Мы сообщили, никаких побочных эффектов в нашей популяции, используя наши методы описаны12,14.
Есть целый ряд различных модификаций, чтобы сделать при совершенствовании применения tDCS и HD-tDCS. Важно иметь хорошее качество контакта, чтобы уменьшить устойчивость тока по всей коже головы. Если качество контакта плохое, более солевой раствор может быть применен для снижения устойчивости в обычных tDCS. Тем не менее, важно, чтобы сначала обеспечить наличие хорошего контакта электродов с кожей головы присутствует. В HD-tDCS, важно, чтобы кожа головы подвергаться, чтобы обеспечить лучшее качество электрода. Волосы, возможно, потребуется дополнительно щеткой в сторону и больше электрод гель применяется для улучшения качества контакта. Убедитесь, что качество контакта постоянно контролируется на протяжении всего сеанса.
Текущие исследования моделирования показали разницу в текущей силы опытных в возрастных группах в зависимости от белого вещества и CSF том10,11. Ограничение этого метода является то, что мы не выполнили перспективных текущего моделирования на каждого участника применять текущую силу, которая будет вызывать сопоставимые нейрональных электрического поля силы среди участников.
Этот метод является важным следующим шагом в применении неинвазивной стимуляции мозга в педиатрии. Мы продлили период обучения с трех до пяти дней и наблюдали аналогичные улучшения в мастерстве. HD-tDCS применяется только в педиатрической популяции с помощью нашего метода, и мы показали, что есть аналогичные моторные навыки обучения обычным tDCS. HD-tDCS индуцирует более фокусное течение, улучшая таргетинг и последствия28. Методы, описанные в настоящем документе, позволят реплицить и дальнейшее изучение HD-tDCS у детей.
Эти методы в настоящее время распространяются на популяцию перинатального инсульта. Протокол tDCS и HD-tDCS был адаптирован к этой популяции, и время обучения было продлено для дальнейшего развития клинических испытаний перинатального инсульта. Крайне важно оптимизировать применение tDCS в педиатрии для продвижения терапевтического применения у детей с перинатальным инсультом и, следовательно, улучшить результаты двигательной функции. Для отображения двигателя TMS важно обеспечить, чтобы участник удобно сидел, с руками и руками в расслабленном положении. После полного моторного отображения, только 15% участников испытали легкую головную боль самоограничения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не раскрытии информации.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано Канадскими институтами исследований в области здравоохранения.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1x1 SMARTscan Stimulator | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/tdcs/device | |
| 4x1 HD-tDCS Adaptor | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/4x1 | |
| Brainsight Neuronavigation | Roge Resolution | https://www.rogue-resolutions.com/catalogue/neuro-navigation/brainsight-tms-navigation/ | |
| Carbon Rubber Electrode | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/carbon-ruber-electrode | |
| EASYpad Electrode | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easypad | |
| EASYstraps | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/1x1/accessories/1x1-easystrap | |
| EMG Amplifier | Bortec Biomedical | http://www.bortec.ca/pages/amt_16.htm | |
| HD1 Electrode Holder | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd1-holder | Standard Base HD-Electrode Holder for High Definition tES (HD-tES) |
| HD-Electrode | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-electrode | Sintered ring HD-Electrode. |
| HD-Gel | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-gel | HD-GEL for High Definition tES (HD-tES) |
| Micro 1401 Data Acquisition System | Cambridge Electronics http://ced.co.uk/products/mic3in | ||
| Purdue Pegboard | Lafayette Instrument Company | ||
| Saline solution | Baxter | http://www.baxter.ca/en/products-expertise/iv-solutions-premixed-drugs/products/iv-solutions.page | |
| Soterix Medical HD-Cap | Soterix Medical Inc. | https://soterixmedical.com/research/hd-tdcs/accessories/hd-cap | |
| TMS Robot | Axilium Robotics | http://www.axilumrobotics.com/en/ | |
| TMS Stimulator and Coil | Magstim Inc | https://www.magstim.com/neuromodulation/ |
References
- Woods, A. J., et al. A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools. Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1031-1048 (2016).
- Nitsche, M. A., et al. Facilitation of implicit motor learning by weak transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex in the human. Journal of Cognitive Neuroscience. 15 (4), 619-626 (2003).
- Oskoui, M., Coutinho, F., Dykeman, J., Jetté, N., Pringsheim, T. An update on the prevalence of cerebral palsy: a systematic review and meta-analysis. Developmental Medicine & Child Neurology. 55 (6), 509-519 (2013).
- Zewdie, E., Kirton, A. TMS Basics: Single and Paired Pulse Neurophysiology. Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).
- Nudo, R. J., Milliken, G. W., Jenkins, W. M., Merzenich, M. M. Use-dependent alterations of movement representations in primary motor cortex of adult squirrel monkeys. The Journal of Neuroscience. 16 (2), 785-807 (1996).
- Friel, K. M., Gordon, A. M., Carmel, J. B., Kirton, A., Gillick, B. T. Pediatric Issues in Neuromodulation: Safety, Tolerability and Ethical Considerations. Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).
- Nudo, R. J., Plautz, E. J., Frost, S. B. Role of adaptive plasticity in recovery of function after damage to motor cortex. Muscle & Nerve. 24 (8), 1000-1019 (2001).
- Grab, J. G., et al. Robotic TMS mapping of motor cortex in the developing brain. Journal of Neuroscience Methods. , (2018).
- Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimulation. 9 (5), 641-661 (2016).
- Kessler, S. K., Minhas, P., Woods, A. J., Rosen, A., Gorman, C., Bikson, M. Dosage considerations for transcranial direct current stimulation in children: a computational modeling study. PloS One. 8 (9), e76112 (2013).
- Ciechanski, P., Carlson, H. L., Yu, S. S., Kirton, A. Modeling Transcranial Direct-Current Stimulation-Induced Electric Fields in Children and Adults. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 268 (2018).
- Ciechanski, P., Kirton, A. Transcranial Direct-Current Stimulation (tDCS): Principles and Emerging Applications in Children. Pediatric Brain Stimulation: Mapping and Modulating the Developing Brain. , 475 (2016).
- Kirton, A., et al. Transcranial direct current stimulation for children with perinatal stroke and hemiparesis. Neurology. 88 (3), 259-267 (2017).
- Cole, L., et al. Effects of High-Definition and Conventional Transcranial Direct-Current Stimulation on Motor Learning in Children. Front Neurosci. , (2018).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Screening questionnaire before TMS: an update. Clinical Neurophysiology. 122 (8), 1686 (2011).
- Villamar, M. F., Volz, M. S., Bikson, M., Datta, A., Dasilva, A. F., Fregni, F. Technique and considerations in the use of 4x1 ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), e50309 (2013).
- Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120 (Pt 1), 141-157 (1997).
- Garvey, M. A., Mall, V.
- Borckardt, J. J., et al. A pilot study investigating the effects of fast left prefrontal rTMS on chronic neuropathic pain. Pain Medicine (Malden, Mass.). 10 (5), 840-849 (2009).
- Villamar, M. F., et al. Focal modulation of the primary motor cortex in fibromyalgia using 4×1-ring high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS): immediate and delayed analgesic effects of cathodal and anodal stimulation. The Journal of Pain. 14 (4), 371-383 (2013).
- Ciechanski, P., Kirton, A. Transcranial Direct-Current Stimulation Can Enhance Motor Learning in Children. Cerebral Cortex. 27 (5), 2758-2767 (2017).
- Kirton, A., Andersen, J. Brain stimulation and constraint for hemiparesis after perinatal stroke: The PLASTIC CHAMPS trial. European Journal of Paediatric Neurology. 19 (S1), S10 (2015).
- Ginhoux, R., et al. A custom robot for Transcranial Magnetic Stimulation: First assessment on healthy subjects. 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 5352-5355 (2013).
- Grau, C., et al. Conscious brain-to-brain communication in humans using non-invasive technologies. PloS One. 9 (8), e105225 (2014).
- Julkunen, P. Methods for estimating cortical motor representation size and location in navigated transcranial magnetic stimulation. Journal of Neuroscience Methods. 232, 125-133 (2014).
- van de Ruit, M., Perenboom, M. J., Grey, M. J. TMS brain mapping in less than two minutes. Brain Stimulation. 8 (2), 231-239 (2015).
- Dundas, J. E., Thickbroom, G. W., Mastaglia, F. L. Perception of comfort during transcranial DC stimulation: effect of NaCl solution concentration applied to sponge electrodes. Clinical Neurophysiology. 118 (5), 1166-1170 (2007).
- Alam, M., Truong, D. Q., Khadka, N., Bikson, M. Spatial and polarity precision of concentric high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS). Physics in Medicine and Biology. 61 (12), 4506-4521 (2016).
